0 引言

在日常的阅读学习过程中注意力分散是影响学习效率的重要因素，然而注意力分散的问题并不能立竿见影地解决。针对上述问题，本文结合目前较为先进的脑机接口技术，设计了一款基于脑机接口的专注度监测与训练系统。本产品的专注度监测功能能够实时检测使用者的脑波信号，处理分析脑波信号数据后，将专注度数据在用户终端上显示出来；专注度训练功能采用人机互动模式，以游戏形式作为互动内容，能够最大限度地吸引使用者进行日常训练。

1 系统总体设计方案

1.1 系统结构

本系统主要包括3个模块：信号采集模块、信号处理与分析模块以及终端显示和互动模块。其中信号采集模块采用干电极+脑波信号采集传感器+zigbee无线传感的电路结构，物理结构采用头戴式；信号处理与分析模块以单片机为核心，数据存储采用外部SRAM或者云端数据库的形式，采用220V AC供电+电池供电的混合结构，单片机通过zigbee接收信号采集模块发送的数据或者读取数据库数据后，按照预先设计的算法对数据进行处理与分析，并将处理后的数据通过蓝牙通信传递到显示终端；终端显示模块为了节约成本，采用定制开发的手机APP。

图1 产品功能结构图

1.2设计思路

脑波采集模块能收集脑波信号，将收集到的脑波信号分离、提取出目标专注度数据，作为单次显示数据。脑波信号的采集和数据传输以干电极、ThinkGear模块、ZiggBee模块为载体，数据处理采用STM32微处理器，处理后的数据发送包括串口、蓝牙通信2种方式，其中串口作为扩展功能，如果有需求可以直接接入液晶屏，以液晶屏作为显示终端；蓝牙通信用于和上位机通信（手机APP）。专注度训练以游戏作为互动内容，将采集、处理得到的专注度数据作为游戏的参数，不同的实时数据拥有不同的游戏体验。

1.3 创新点

（1）应用创新：目前专注度训练这方面尚没有将脑波信号作为训练的依据，本产品将脑电波中关联信号的波形量化成具体数据，通过监测信号高低变化判断专注度情况，实时性和准确性高。

（2）设计创新：低功耗设计和良好的显示设计，系统中的电路采用低功耗设计，提高系统运行时间；通过LED指示灯组能够较为直观反映使用者当前专注度状态。

（3）训练算法创新：本项目以训练青少年专注度为目标，通过手机进行人机互动，开展专注度训练。系统自动记录训练过程中使用者专注度情况，适时提醒，并对数据进行分析，评价本次训练情况。

2 硬件设计

产品以简洁、使用方便为出发点，其中头戴部分以内嵌三个干电极采集信号，ThinkGear模块收集信号生成原始数据，通过CC2530将数据传递给数据处理和分析模块，供电部分为了减小体积采用可重复充电的锂电池供电，头戴部分的所有模块皆采用低功耗模式，提高续航时间。数据分析、处理部分采用Stm32f103芯片，为了提高产品的使用便捷性，数据处理与分析模块采用市电供电以及锂电池的模式。

图2 产品工作原理图                            图3 信号采集模块实物图            

  图4  信号分析与处理模块                         图5 硬件设备综合联调

图6 上位机APP功能界面                          图7 上位机APP训练模式

3 软件设计

3.1 程序功能描述

（1）实现数据脑波数据采集功能；

（2）信号数据的分析、处理、显示功能；

（3）专注度训练程序设计。

3.2 程序设计思路

 首先对产品进行初始化，干电极和检测信号模块以固定的频率对脑波信号进行采集，通过CC2530进行透传，信号处理与分析模块接收到数据后进行分析和处理，这里将处理后的专注度数据量化为0-100的范围，100代表专注度最高，0代表专注度最低。LED灯组或用户APP都可以直观显示当前的专注度状态或者数据，其中LED灯组中红色表示专注度最低，绿色表示专注度最高，不同的颜色代表不同的范围（0-40为红色，40-60为橙色，60-80为蓝色，80-100为绿色），用户APP则通过蓝牙直接接收到信号处理与分析模块发过来的数据，将量化的专注度数据以波形或者数字形式显示出来。专注度训练部分以专注度作为游戏的参数，专注度不同则游戏的内容也会体现不同的效果。

3.3 程序流程图

图7 程序设计流程图

4 结语

本作品经过测试，能够比较精确的检测使用者当前的专注度状态，专注度状态能够通过用户终端的LED灯组或者用户APP较为直观地显示出来，为使用者进行专注度训练提供数据依据。区别于传统的专注度训练方式，本产品具有使用方便、检测精确、科学训练、过程分析的特点，能够很好地帮助使用者提高学习过程的专注度，提高学习效率。

参考文献：

[1]阮太元，周 昊，陈虹安，梁明朗，邓华宏.人体生命体征采集及健康状态分析系统.福建电脑.2017.04.067.

[2]周昊,陈虹安,阮太元.基于单片机的智能饮用水杯设计与制作.数字技术与应用.2017.03.093.